常方強,涂帆

(華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021)

閩南海相沉積土水泥土的強度特性分析

常方強,涂帆

(華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021)

根據(jù)閩南地區(qū)海相沉積土水泥攪拌樁工程的室內(nèi)配方試驗成果,分析水泥土的齡期、水泥摻量、土樣含水量和土樣種類對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響.研究表明,水泥土強度與齡期有關(guān),28 d內(nèi)強度增長較快,28～60 d的強度增長速率趨緩;水泥土的強度隨著水泥摻量的增大而增大,兩者基本呈線性關(guān)系;隨著土樣含水量的增加,粉噴樁水泥土強度明顯降低;土的種類對水泥土強度的影響很大.最后,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合出淤泥漿噴水泥土28 d和60 d強度的預測公式,并進一步估算其90 d強度.

水泥土;強度;沉積土;預測公式;閩南地區(qū)

水泥攪拌樁是利用水泥粉(漿)作為固化劑,通過特制的深層攪拌機械,在加固深度范圍內(nèi)將土和水泥粉(漿)就地強制拌和,使之成為具有水穩(wěn)性和足夠強度的柔性樁體.水泥攪拌樁與地基土形成整體,形成復合地基,其實質(zhì)是考慮樁、土共同分擔作用 ,因而比僅僅認為荷載由樁體承擔要經(jīng)濟[1].水泥攪拌樁的加固效果,不僅與水泥類別、摻入數(shù)量、加固時間和外摻劑等因素有關(guān),還與被加固土的自身性質(zhì)有關(guān)[2],如土體類型和含水量.如果某地區(qū)同一類型的土體具有相似性,那么研究該地區(qū)土體和水泥土的物理力學指標,可以為該地區(qū)攪拌樁的設(shè)計提供依據(jù).文獻[3-4]測試了我國一些地區(qū)水泥土的物理力學性質(zhì).本文根據(jù)大量實際工程的水泥土室內(nèi)配方試驗數(shù)據(jù),分析了閩南地區(qū)海相沉積軟土的無側(cè)限抗壓強度特性.

1 閩南地區(qū)海相沉積軟土的工程特性

閩南沿海地區(qū)的淤泥,廣泛分布于河流的下游平原和沿海港灣地帶,由海相和海陸過渡相組成,埋深一般很淺,大都在3 m以內(nèi),有的甚至暴露地表,屬淺埋型.其淤泥厚度約為2～20 m,某些上覆粘土、粉質(zhì)粘土或泥砂層,有的淤泥夾有砂及粉細砂薄層等.水泥攪拌樁是閩南常用的地基處理方法.

為了解水泥土的工程特性,有必要先了解形成水泥土的原狀土的一些物理力學參數(shù).福建泉州大坪山隧道連接線道路工程軟基試驗段淤泥的物理力學指標,如表1所示[5].表1中:wH2O為含水量,γ為重度,e為孔隙比,ωL為液限,ωP為塑限,IP為塑性指數(shù),IL為液性指數(shù),C為粘聚力,φ為內(nèi)摩擦角,a1-2為壓縮系數(shù),Es為壓縮模量,wO為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù).由表1可以看出,該地區(qū)的軟土具有高壓縮性、高孔隙比和低強度的特性.

表1 閩南地區(qū)淤泥的物理力學性質(zhì)指標Tab.1 Mechanical properties of silt in south Fujian

2 水泥土的室內(nèi)試驗與分析

2.1 試驗準備

水泥土的強度是通過水泥土無側(cè)限抗壓強度反映的.進行無側(cè)限抗壓試驗前,需制備試樣,將現(xiàn)場取來的土體按一定比例摻入水泥和水,制備漿噴試樣;然后,摻入一定摻量的水泥粉,制備粉噴試樣.試樣均經(jīng)攪拌裝入模子,模子直徑為4.5 cm,高為9.0 cm.第2天脫模,測其密度后,將試樣放進塑料袋,扎緊袋口置入水中,放在養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護,養(yǎng)護齡期分別為7,15,28,60 d.至一定齡期時,采用萬能試驗機對試樣進行抗壓試驗,測試其極限抗壓強度(qu).

2.2 水泥土的密度

據(jù)統(tǒng)計,該地區(qū)水泥土的密度一般為1.51～1.83 M g·m-3,隨著水泥摻量的增加,密度略有增加.水泥土的水泥摻量(α)一般為加固土體質(zhì)量的10%～18%,又往往還要加水,所以比天然軟土的密度僅增加0.8%～3.1%.實際工程中,水泥土固化過程還會產(chǎn)生側(cè)向擠出和隆起.因此,加固后的土體與天然土的密度相差不大,不會對軟弱下臥層產(chǎn)生大的附加應力.

2.3 齡期對水泥土強度的影響

齡期(t)是影響水泥土早期強度的重要因素.福建泉州洛江萬安開發(fā)區(qū)某工程的地基土為淤泥,含水量為56.2%.采用水泥攪拌樁進行地基處理,室內(nèi)配方試驗采用漿噴和粉噴兩種,水泥摻量分別為18%和15%,漿噴水泥土水灰比為0.42.根據(jù)試驗成果,繪制水泥土無側(cè)限抗壓強度與齡期的關(guān)系曲線,如圖1所示.從圖1可看出,隨著齡期的增長,在28 d內(nèi)的水泥土強度增長較快,28 d后的水泥土強度增長速率趨緩.對于漿噴,60 d和28 d的水泥土強度關(guān)系為qu,60≈(1.32～1.36)qu,28;對于粉噴則為qu,60≈(1.06～1.11)qu,28.工程的成果基本上在文獻[6]的統(tǒng)計范圍(qu,60=(1.15～1.46)qu,28)內(nèi).此外,對于漿噴,60 d與28 d水泥土強度之比接近文獻[6]的統(tǒng)計上限;對于粉噴,則接近下限.

文獻[7]通過試驗得出,水泥土的固化反映約需3個月才能完成.工程中,為了盡快提高水泥土強度,常采用早強水泥,必要時,還可適量添加外摻劑,如粉煤灰、石膏等.在相同齡期和水泥摻量的情況下,粉噴水泥土的強度比漿噴的大,幅度為15%～50%.粉噴水泥土除了與漿噴的一樣有水泥與土的反應外,水泥粉還吸收土體中的水分,減少土的含水量,提高水泥土強度.

2.4 水泥摻量對水泥土強度的影響

水泥摻量(α)越大,土與水泥的水化反應越充分,形成的膠結(jié)體強度越高.根據(jù)福建泉州市赤峰路市政工程的水泥土室內(nèi)配方試驗結(jié)果,得到水泥土強度與水泥摻量的關(guān)系,如圖2所示.從圖2可以看出,水泥土的強度與水泥摻量基本呈線性關(guān)系,其連線斜率約為0.09～0.10.

圖1 水泥土強度與齡期的關(guān)系圖Fig.1 Relationship between soil cement strength and age

圖2 水泥土強度與水泥摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil cement strength and cement content

對于采用水泥攪拌樁的復合地基而言,并不是水泥摻量越大越好.水泥摻量增大,樁的壓縮模量提高,荷載作用下樁的變形減小,樁土應力比過大,起不到復合地基的作用.當然,水泥摻量也不能過小,文獻[8]指出,當水泥摻量小于5%時,土與水泥的反應弱,水泥土固化程度低,強度離散性大.JGJ 79-2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)規(guī)定[9],水泥摻量除塊狀加固時可用被加固濕土質(zhì)量的7%～12%外,其余宜為12%～20%.

2.5 土樣含水量對水泥土強度的影響

選取水泥摻量為15%的不同粉噴樁工程的室內(nèi)試驗結(jié)果,其水泥土強度與土體含水量的關(guān)系,如圖3所示.從圖3可看出,水泥土強度隨著土樣含水量的增加而降低,且降低幅度還與齡期有關(guān),齡期越短,降低幅度越小.齡期短,水泥與水的水化反應尚不充分,土中含水量的影響還沒有充分表現(xiàn)出來.

從圖3可知,對于28 d的水泥土強度,其含水量由38.1%增至69.0%,強度則降低為原來的1/3,即含水量每增加10%,強度降低約28%,可見,土體含水量對水泥土強度的影響較大[10].福建泉州晉江市某工程的淤泥含水量超過80%,水泥摻量為16%的水泥土60 d強度仍低于1.0 M Pa;當水泥摻量提高到18%時,其60 d強度才達到1.0 M Pa.因此,對于含水量高的軟土,采用水泥攪拌樁應當慎重.

2.6 土的種類對水泥土強度的影響

土的種類不同,由該土制成的水泥土的強度亦不同.福建泉州晉江市某攪拌樁工程的地基中有粉質(zhì)粘土、淤泥夾砂和淤泥,其含水量分別為55.6%,56.3%和78.5%.對這3種土分別進行水泥土室內(nèi)配方試驗,結(jié)果如圖4所示.圖4中:水泥摻量均為15%,強度差別較大.

從圖4可以看出,粉質(zhì)粘土的水泥土強度最高,大約是淤泥水泥土強度的3倍;粉質(zhì)粘土和淤泥夾砂的含水量相近,但前者水泥土的強度約為后者的1.5倍;淤泥夾砂和淤泥的水泥土強度隨齡期的增長速率與粉質(zhì)粘土的相比,較為平緩.

圖3 水泥土強度與土樣含水量的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil cement strength and water content

圖4 土的種類對水泥土強度的影響Fig.4 Influence of soil type to soil cement strength

土的種類對水泥土強度的影響較大,這與混凝土的強度與所加骨料的直徑有關(guān)是一個道理,即骨料粒徑越大,混凝土強度越大.對于該工程的3種地基土,粉質(zhì)粘土的土顆粒粒徑最大,淤泥夾砂比淤泥多了一些粗顆粒的砂,因此3者的水泥土強度不同.

3 漿噴水泥土強度的預測

《規(guī)范》規(guī)定,對承受豎向和水平向荷載的水泥土,其設(shè)計強度應分別取90 d和28 d齡期立方體試件的強度.但是,在實際工程中,由于工期的原因,往往等不到90 d或28 d的水泥土強度出來便要進行下一步的設(shè)計.因此,根據(jù)室內(nèi)配方試驗的水泥土早期強度,推算90 d或28 d的水泥土強度有其現(xiàn)實意義.需要說明的是,試驗所做的試件均為圓柱體,而圓柱體試件的強度值比立方體試件的強度值高[11],因此將圓柱體試件的強度值乘以折減系數(shù)便得立方體試件的強度值.

漿噴水泥土的水灰比一般為0.45～0.55[9],而在此范圍內(nèi),水灰比的變化對水泥土強度影響不大,可忽略.根據(jù)13組淤泥水泥土的室內(nèi)試驗結(jié)果,擬合漿噴水泥土28 d和60 d的強度預測公式為

分別根據(jù)28 d和60 d的強度預測公式,預測福建泉州市兩個工程的水泥土28 d強度和60 d強度,如表2所示.從表2可看出,工程1,2的水泥土強度預測值與實測值較為接近.說明,28 d和60 d的強度預測公式對實際工程有參考價值.由于引用的工程試驗數(shù)據(jù)均未有90 d強度值,因此,參考文獻[3]的經(jīng)驗式可得

對于漿噴水泥土,可以采用28 d和60 d的強度預測公式計算28 d或60 d強度,再由上式估算出其90 d強度.

值得指出的是,以上的強度預測式是根據(jù)閩南地區(qū)海相沉積淤泥水泥土強度的試驗結(jié)果擬合得到的,對于其他地區(qū)和其他種類土體,其適用性尚未得到驗證.

表2 水泥土強度的實測和預測結(jié)果Tab.2 Prediction and test results of soil cement strength

4 結(jié)束語

根據(jù)實際工程的水泥土室內(nèi)配方試驗數(shù)據(jù),分析閩南地區(qū)軟土形成的水泥土強度特性.同時,擬合出淤泥漿噴水泥土28 d和60 d強度的預測公式,并根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進一步估算90 d強度,可為承受水平和豎向荷載的水泥土強度的設(shè)計值提供參考.

[1]張榮堂.復合地基技術(shù)在高速公路軟基處理中的應用[J].華僑大學學報:自然科學版,2004,25(2):165-168.

[2]徐至鈞.水泥土攪拌法處理地基[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:19.

[3]朱大宇.水泥土力學性能的試驗分析[J].建筑材料學報,2006,9(3):291-296.

[4]曹云,徐奮強.水泥土無側(cè)限抗壓強度室內(nèi)試驗研究與分析[J].巖土工程界,2009,12(9):76-79.

[5]馬時冬,涂帆.大坪山隧道連接線道路工程軟基處理試驗段現(xiàn)場測試研究總報告[R].泉州:華僑大學,2004.

[6]牛志榮.復合地基處理及其工程實例[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2000:442.

[7]李治平.水泥攪拌土(軟土)的室內(nèi)強度試驗研究[J].巖土工程界,2004,7(2):74-75.

[8]葉書麟.地基處理與托換技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994:372.

[9]中國建筑科學研究院.JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:45.

[10]涂帆,常方強.水泥土無側(cè)限抗壓強度影響因素的室內(nèi)試驗研究[J].工程勘察,2004(3):8-10.

[11]陳甦,彭建忠,韓靜云,等.水泥土強度的試件形狀和尺寸效應試驗研究[J].巖土工程學報,2002,24(5):580-583.

(責任編輯:錢筠英文審校:方德平)

Study on Marine Deposit Soft Soil Cement in South Fujian

CHANG Fang-qiang,TU Fan
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Based on the laboratory results of cement soil of mixing pile in the marine deposited soils south Fuji an,the influence of the age,cement content,water content and type of soil to the unconfined compression strength is studied.The results show that the cement soil strength is related with the age,the strength increases fast in the first 28 days,the increase rate slows down in 28 d to 60 d;the strength of cement soil is linearly related approximately to the cement content; with increase of soil water content,strength of cement soil of dry jet mixing pile(DJM P)decreases;soil type influences significantly the strength of cement soil.The prediction formulas of cement soil strength at 28 d and 60 d are fitted according to the tested data,which would estimate further the strength at 90 d.

cement soil;strength;deposited soil;prediction formula;south of Fujian

TU 411.6;TU 447(257)

A

1000-5013(2011)02-0203-04

2010-06-13

常方強(1980-),男,講師,主要從事環(huán)境巖土災害的研究.E-mail:changfq@hqu.edu.cn.

華僑大學高層次人才科研啟動項目(09BS621)